楊智勇

（浙江華東建設(shè)工程有限公司，杭州 310030）

某水電站心墻壩和面板壩沉降變形比選研究

楊智勇

（浙江華東建設(shè)工程有限公司，杭州 310030）

某擬建壩基覆蓋層深，層厚變化大，物質(zhì)多樣，物質(zhì)分布不均，壩基沉降量大，不均勻沉降顯著。采用分層總和法和三維數(shù)值模擬，對心墻壩和面板壩兩種壩型的壩基沉降變形進(jìn)行分析評價。發(fā)現(xiàn)兩種壩型的壩基覆蓋層沉降變形和不均勻沉降均未超過規(guī)范量值，但面板壩沉降量和沉降差皆優(yōu)于心墻壩。

深厚覆蓋；心墻壩；面板壩；壩基變形；分層總和法；三維數(shù)值模擬

1 前言

某擬建水電站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴縣境內(nèi)，采用混合式開發(fā)。初擬正常蓄水位2 048 m，正常蓄水位下庫容2.69×108m3，最大壩高116 m，電站利用落差196m，初擬裝機(jī)容量156×104kW。

已有資料表明，壩址區(qū)覆蓋層深厚，空間分布極度不均，最薄處7.84m，最厚處可達(dá)127.66m；其物質(zhì)組成以粗－巨顆粒為主，分布有成層性相對較好的堰塞湖相砂土層及局部砂土、粉土透鏡體。建壩后地基不均勻沉降問題較為突出，尤其針對礫石土（瀝青）心墻堆石壩（后簡稱“心墻壩”）和鋼筋混凝土面板堆石壩（后簡稱“面板壩”）兩種比選壩型，其影響程度也有待深入研究。因此，針對該擬建水電站壩基變形及兩種壩型的適應(yīng)性，應(yīng)深入分析，為進(jìn)一步的設(shè)計和處理提供有力依據(jù)。

2 壩基覆蓋層基本特征

2.1 空間分布特征

根據(jù)勘察資料，該水電站壩址區(qū)河床覆蓋層主要由漂（塊）石、卵礫石、碎石、砂（壤）土等組成，且物質(zhì)成因具有多樣性，既有河流沖洪積形成的漂卵礫石及砂土，堰塞湖相沉積的粉砂、粉土層，也有岸坡崩滑形成的塊碎石及碎屑物質(zhì)等。因此，河床覆蓋層具有在水平和垂直兩個方向上組成物質(zhì)變化較大、不均勻性較強(qiáng)的特點［1～4］。同時，鉆孔揭示壩址區(qū)河床覆蓋層厚度變化也比較大，一般厚度在40～100m之間，最薄僅7.84m，最厚可達(dá)127.66m，河心偏左岸覆蓋層厚度較兩岸厚，一般在70m以上。總體上形成了左岸基覆界線較陡、右岸基覆界線較緩的不對稱“V”字型分布形狀。壩址壩基覆蓋層自上而下大致可分為五大層，各大層又可分為若干亞層或透鏡體（圖1）。

圖1 壩軸線覆蓋層剖面分層簡圖Fig.1 Stratified profile of the covering along the dam axis

層⑤：為全新世河流沖洪積相砂卵礫石層（Q4al＋pl）。以卵礫石為主，結(jié)構(gòu)較松散，局部存在架空現(xiàn)象。卵礫石成分主要為石英巖、二云英片巖、長英質(zhì)變粒巖，約占60%～75%；余為砂土，充填于空隙間。該層主要分布于河床表部，局部缺失。鉆孔揭示厚度一般為3～5m，最厚達(dá)9.7m。

層④：為全新世多成因沉積堆積的混合層。主要為泥石流堆積塊碎礫石夾堰塞湖相沉積砂土，及少量河流相沖洪積漂卵石和崩坡積塊碎礫石。鉆孔揭示該層厚一般為10～45m，最厚為47.2m，局部出露地表。按其成因和組成可細(xì)分為3個亞層，其中，④－3層和④－1層主要為靜水環(huán)境堰塞湖相沉積的粉土、粉砂層（Q4l）；④－2層主要為漂（塊）卵（碎）礫石夾砂土層（Q4sef＋al＋pl）。

層③：為全新世河流相沖洪積漂（塊）卵（碎）礫石層（Q4al＋pl）。漂（塊）卵（碎）礫石成分較雜，主要為石英巖、長英質(zhì)變粒巖，約占75%～90%；余為砂土充填。鉆孔揭示該層在河床中部連續(xù)分布，中密－密實，局部呈稍密狀。厚度變化較大，一般在10～50m之間，最厚達(dá)59.5m。該層中存在透境體，為全新世河流相沖積砂土層（Q4al），以中細(xì)砂為主，呈似層狀、透鏡狀或團(tuán)塊狀。

層②：為晚更新世堰塞湖相沉積層（Ql3）。以深灰色粉土、粉砂為主，局部含少量中細(xì)砂及卵（碎）礫石，中－密實，具一定水平交錯層理。鉆孔揭示層厚變化不大，一般0.6～10.8m。

層①：為晚更新世形成的沖洪積漂（塊）卵（碎）石層（Q3al＋pl）。漂（塊）卵（碎）礫石成分主要為石英巖、二云英片巖、長英質(zhì)變粒巖，約占80%～90%；余為砂土充填，呈透鏡體或團(tuán)塊狀分布。鉆孔顯示該層厚度變化較大，一般為10～30m，最厚可達(dá)42.5m。

下伏基巖：由志留系茂縣群第四巖組（Smx4）和第五巖組（Smx5）構(gòu)成。其中，第四巖組主要為灰－灰褐色二云英片巖夾二云片巖、變粒巖和少量石英巖，局部偶見薄層至條帶狀大理巖夾層侵入其中，該層又可分為3個亞層；第五巖組為一套石英巖、長英質(zhì)變粒巖、斜長角閃巖以及二云英片巖夾大理巖組成的深變質(zhì)巖組成，該巖組又可細(xì)分為3個巖性亞層。

(1)結(jié)合圖8與圖1可知，任務(wù)較少分布在遠(yuǎn)離市區(qū)的郊區(qū)，但是價格高的任務(wù)也偏偏都在任務(wù)分布少的地方。究其原因，大概是由于交通不便，導(dǎo)致人流量較小，會員數(shù)量也較少。所以要給較高的價格才會有會員愿意去完成相應(yīng)的任務(wù)。

2.2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，并參照《水利水電工程勘察規(guī)范》（GB50287－99）和《工程地質(zhì)手冊》（第三版）經(jīng)驗值，壩址區(qū)各地層巖性物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 壩基覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)建議值Table 1 Proposed physical and mechanical parameters for the covering

3 壩基變形規(guī)范法計算分析

3.1 計算方法

勘探資料顯示，壩址覆蓋層具有④－3、④－1和②三層廣泛分布的堰塞湖相沉積砂土層，以及眾多的砂土透鏡體。這些透鏡體厚度變化較大，10多厘米到10多米不等，且埋藏不一，地表以至地下深達(dá)100m具有分布；存在明顯的不均勻性，結(jié)合壩型選擇分析其不均勻沉降變形影響程度具有重要指導(dǎo)作用。為此，采用規(guī)范推薦的分層總和法計算壩基的沉降變形［1，5］。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB5007－2002）中5.3.5條規(guī)定，在荷載作用下地基沉降量可按以下公式計算：

式中，S為地基最終變形量（mm）；S′為按分層總和法算出來的地基變形量（mm）；ψs為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)（可根據(jù)規(guī)范經(jīng)驗取值）；n為地基變形計算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；P0為對應(yīng)于荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合時的基礎(chǔ)底面處的附加壓力（kPa）；Esi為基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量（MPa），應(yīng)取土的自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和的壓力段計算；zi、zi－1為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i－1層土底面的距離（m）；ai、ai－1為基礎(chǔ)底面計算點至第i層土、第i－1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)，可查規(guī)范表。

3.2 計算參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，計算采用的參數(shù)見表1。此外，由于覆蓋層埋深較大，其固結(jié)壓力大于400 kPa，為了合理評價深層覆蓋層土體的壓縮性能，室內(nèi)試驗還針對層③增加了最大固結(jié)壓力為3 200 kPa的壓縮試驗，結(jié)果表明層③的卵石層屬于低壓縮性土，中砂層屬于中等壓縮性土［6］。試驗成果見表2和圖2。

表2 最大固結(jié)壓力為3 200kPa的土樣壓縮試驗結(jié)果Table 2 Compression test results on soil samples under a consolidation pressure of 3200kPa

圖2 最大固結(jié)壓力為3 200kPa的土樣壓縮曲線圖Fig.2 Soil sample compression curves under the consolidation pressure 3 200kPa

鑒于目前壩址覆蓋層僅第③層有最大固結(jié)壓力為3 200kPa下壓縮試驗資料，故在沉降計算中，其他各層的漂（塊）卵（碎）礫石層和砂土層在附加應(yīng)力大于400kPa的情況下，將參考表2數(shù)據(jù)進(jìn)行取值。

3.3 計算方案

3.4 計算成果分析

該水電站壩址區(qū)覆蓋層地基沉降量計算結(jié)果見表3。

圖3 心墻壩2－2′縱剖面圖Fig.3 2－2′vertical section of the core－wall damm

圖4 面板壩2－2′縱剖面圖Fig.4 2－2′vertical section of the face dam

圖5 心墻壩軸線剖面圖Fig.5 Axis section of the core－wall dam

圖6 面板壩軸線剖面圖Fig.6 Axis section of the face dam

表3 地基沉降量計算成果表 （mm）Table 3 Calculated results of foundation settlement

計算結(jié)果表明：各剖面的沉降量差異較大，這是由于不同剖面的基礎(chǔ)埋深、附加應(yīng)力值和作為地基的覆蓋層其工程地質(zhì)條件——如覆蓋層的厚度、壓縮性，特別是砂土層及砂土透鏡體的厚度、壓縮性等的差異造成的。另外，從表3沉降計算成果還可以得出以下幾點認(rèn)識：

（1）兩種壩型在相同剖面上的沉降量均有一定的差異，但由于二者具有幾乎相同的工程地質(zhì)條件和相似荷載作用方式，因此，二者在相同剖面上的沉降量基本處于同一數(shù)量級。

（2）沿河流方向剖面，兩種比選壩型的壩基最大沉降量值位于河道中心剖面2－2′和3－3′；垂直河流方向剖面，兩種比選壩型的壩基最大沉降量值為Ⅱ－Ⅱ′剖面，即各壩型的軸線剖面。

（3）兩種比選壩型的壩踵（Ⅰ－Ⅰ′剖面）沉降量大于壩趾（Ⅲ－Ⅲ′剖面）的沉降量，這是由于壩踵Ⅰ－Ⅰ′剖面疊加了庫水荷載在壩基中形成的附加應(yīng)力。

（4）兩種壩型各剖面沉降量差異較大：心墻壩沉降量最小值為2.3mm，而最大可達(dá)到601.8 mm，相差達(dá)599.5mm。面板壩沉降量最小值為16.2mm，最大值405.9mm，相差達(dá)389.7mm。心墻壩無論是最大沉降量還是最大不均勻沉降量均大于面板壩。

（5）兩種壩型同剖面各處的沉降量差異亦較大：沿河流方向，心墻壩的最大沉降差是543.6mm（2－2′剖面）；而面板壩為355.9mm（3－3′剖面）；垂直河流方向剖面，心墻壩和面板壩的最大沉降差均在II－II′剖面，分別為439.5mm和211.9mm。

（6）心墻壩和面板壩的壩頂沉降量最大值分別為601.8mm和405.9mm，未超過《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274－2001）規(guī)定（竣工后的壩頂沉降量不宜大于壩高的1%——設(shè)計壩高為116m，壩頂允許最大沉降量為1 160mm）。

4 壩基覆蓋層應(yīng)變場數(shù)值模擬研究

鑒于壩基覆蓋層空間分布的不均勻性，規(guī)范法（分層總和法）預(yù)測結(jié)果的合理性有待進(jìn)一步驗證，為此，采用日本軟腦株式會社研制開發(fā)的3D－σ三維有限元軟件，對壩基覆蓋層應(yīng)變場進(jìn)行了模擬驗證分析［7～9］。

4.1 建立的模型

坐標(biāo)系以沿河道方向為Z軸，河流上游方向為正方向；河道橫斷面方向為X軸，左岸方向為正方向；豎直方向為Y軸，正方向鉛直向上。據(jù)此，以壩周線為中心建立三維評價模型（圖7、圖8），并對模型離散化。其中，心墻壩模型長550m，寬440m，高300m，模型共劃分9 520個單元和45 520個節(jié)點；面板壩模型長500m，寬480m，高310m，模型共劃分9 330個單元和44 663個節(jié)點。

圖7 心墻壩壩址覆蓋層評價模型Fig.7 Evaluation model for the Core－wall covering

4.2 模型參數(shù)

壩址區(qū)各巖土層物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。上覆的水壓力按90m水深計算，壩體容重按20kN/m3，壩高按120m評價。

圖8 面板壩壩址覆蓋層評價模型Fig.8 Covering model of the face dam

4.3 邊界條件

根據(jù)壩址區(qū)地形、地質(zhì)和新構(gòu)造運動特征，給出如下假定：

（1）模型邊界不考慮壩區(qū)構(gòu)造應(yīng)力的作用，只考慮庫水壓力和壩體的自重應(yīng)力。

（2）模型沿河上下游邊界、垂直河道兩側(cè)邊界和底部邊界深度以不影響覆蓋層應(yīng)變場重分布為原則。

（3）模型的左、右邊界給予水平x方向的位移約束，底部邊界給予垂直y方向的位移約束。

4.4 壩基覆蓋層應(yīng)變場分析

圖9和圖10分別為心墻壩和面板壩壩址覆蓋層整體豎向變形分色圖。

圖9 心墻壩覆蓋層豎向變形分色圖Fig.9 Vertical deformation color image of the core－wall covering

由圖9和圖10可見，心墻壩壩址覆蓋層的最大豎向變形為0.655m，面板壩壩址覆蓋層最大豎向變形為0.680m。二者最大豎向變形略大于分層總和法計算結(jié)果，顯示了較好的一致性。另外，兩種壩型覆蓋層的變形區(qū)都呈漏斗形或碟盤狀，基本都是以河道中軸線與壩體中軸線交點附近為變形中心，與該處覆蓋層厚度較大以及壩體引起的附加應(yīng)力最大直接相關(guān)。

圖10 面板壩覆蓋層豎向變形分色圖Fig.10 Vertical deformation color image of the face dam covering

5 結(jié)論

通過上述研究，總體上可以獲得如下認(rèn)識：

（1）壩基覆蓋層主要由漂（塊）石、卵礫石、碎石、砂（壤）土等組成，在空間上存在明顯的分布不均勻性?？傮w上形成了左岸基覆界線較陡、右岸基覆界線較緩的不對稱“V”字型分布形狀。

（2）覆蓋層分布的不均造成壩基不均勻沉降變形。心墻壩沉降量最小值2.3mm，最大為601.8 mm，相差599.5mm；而面板壩最小值16.2mm，最大為405.9mm，相差389.7mm。因此，單從沉降變形來講，面板壩沉降變形量及沉降變形差優(yōu)于心墻壩。

（3）數(shù)值模擬分析結(jié)果顯示，覆蓋層變形場總體呈漏斗形或碟盤狀，以河道中軸線與壩體中軸線交點附近為最大變形中心，往上下游及兩岸逐漸減少。

（4）該水電站壩址地基由于承受的附加應(yīng)力較大以及地基覆蓋層的工程地質(zhì)條件空間差異性，造成地基較大的沉降量和不均勻沉降，雖然未超出規(guī)范規(guī)定量值，但仍可能會造成局部壩體破壞。需對壩基進(jìn)行必要的加固處理，以減少地基沉降和不均勻沉降變形。

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SETTLEMENT DEFORMATION COMPARISON AND SELECTION BETWEEN A CORE－WALL HYDROPOWER DAM AND A CONCRETE FACE ONE

Yang Zhi－yong
（East China Construction and Engineering Corporation of Zhejiang，Hangzhou 310030，China）

A to－be－built dam is characterized by deep covering，big thickness variation，diverse matters，uneven distribution of matters，notable foundation settlement，and marked uneven settlement.Layer－wise summation method and three－dimensional numerical simulation method are used to evaluate the deformation and settlement with two kinds of dams，core－wall dam and face dam.The deformation and uneven settlement in neither case exceed the standard value，but the face dam is superior to the core－wall dam in both settlement and differential settlement.

deep covering；core－wall dam；face dam；foundation deformation；layer－wise summation；three－dimensional numerical simulation

P642

A

1006－4362（2011）03－0061－06

2011－05－04 改回日期：2011－05－23

國家自然科學(xué)青年基金項目（40802073）

楊智勇（1971－ ），男，高級工程師，1993年7月畢業(yè)于長春地質(zhì)學(xué)院水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)；現(xiàn)為浙江華東建設(shè)工程有限公司專業(yè)總工程師，主要從事水電勘察、巖土工程勘察、地質(zhì)災(zāi)害評估等工作。